電容器充電電路及包括該電容器充電電路的頻閃裝置的製作方法
2023-12-01 07:15:36 2
專利名稱：電容器充電電路及包括該電容器充電電路的頻閃裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於通過回掃變壓器(flyback transformer)對電容器充電的電容器充電電路，以及通過該電容器充電電路來點亮發光管的頻閃裝置。
背景技術：
在日本專利申請待審公開No.2002-152987、日本專利申請待審公開No.2002-359095等中披露了這種類型的常規頻閃裝置。圖3顯示了這種類型的常規頻閃裝置的例子。頻閃裝置101包括電容器充電電路102和發光管3。電容器充電電路102包括回掃變壓器110，該回掃變壓器110具有一端連接到輸入電源VCC的初級線圈111、以及從一端輸出次級線圈電流的次級線圈112；開關元件114，該開關元件114是連接到初級線圈111的另一端的N型金屬氧化物半導體(MOS)電晶體，用於導通和斷開在初級線圈111中流動的初級線圈電流Ia；電阻器115，用於測量初級線圈電流Ia，該電阻器115的一端連接到開關元件114的源極，另一端接地；電容器117，利用通過開關元件114的開關動作產生並流過次級線圈112的次級線圈電流Ib，經由整流二極體116來對該電容器117充電；包括與電容器117並行設置的、用於測量電容器117的充電電壓的電阻器119和齊納(Zener)二極體118的串聯電路；二極體120，用於測量次級線圈電流Ib，該二極體120的陰極連接到次級線圈112的另一端，陽極接地；具有高電阻值的電阻器121，該電阻器121使二極體120的陰極偏壓到地電勢；以及充電控制電路122，該充電控制電路122將電阻器115一端的電壓輸入到輸入端A，將二極體120的陰極的電壓輸入到輸入端B，以及將齊納二極體118與電阻器119之間的連接點處的電壓輸入到輸入端C，並從輸出端D輸出根據這些電壓產生的用於開關元件114的開關信號。當從在總體上控制頻閃裝置101的頻閃控制電路(未顯示)發送用於起動開關元件114的開關動作的命令信號時，該充電控制電路122就起動。通過釋放在電容器117中積累的電荷，來點亮發光管3。
在該電容器充電電路102中，當開關元件114導通時，初級線圈電流Ia線性地增大，並且能量被存儲在回掃變壓器110中。通過電阻器115一端的電壓(輸入端A的電壓)來檢測該初級線圈電流Ia。當電流達到預定電流值時，開關元件114被充電控制電路122斷開。當開關元件114斷開時，次級線圈電流Ib在次級線圈112中線性遞減地流動。經由整流二極體116對電容器117充電，並且回掃變壓器110中存儲的能量減少了。通過二極體120的陰極的電壓(輸入端B的電壓)來檢測次級線圈電流Ib。當該電流達到接近於0的值時，開關元件114被充電控制電路122接通。然後，初級線圈電流Ia再次線性地增大，並且能量被存儲在回掃變壓器110中。
通過這樣重複開關元件114的開關動作，電容器117的充電電壓逐漸地增大，但是該充電電壓的上限固定在齊納二極體118的擊穿電壓。在電容器117的充電電壓達到擊穿電壓之前，在齊納二極體118或電阻器119中沒有電流流動。當電容器117的充電電壓確實達到擊穿電壓時，電流流過齊納二極體118，並且電容器117的充電電壓被維持在恆定水平。此時，電流也流過電阻器119。齊納二極體118與電阻器119之間的連接點處的電壓(即充電控制電路122的輸入端C的電壓)增大了，於是充電控制電路122確定電容器117的充電電壓足夠了，並停止開關元件114的開關動作。這樣，一旦電容器117的充電電壓達到預定電壓，就控制電容器充電電路102，由此防止任何浪費的電流消耗。
然而，上述電容器充電電路102中使用的齊納二極體不適於集成在半導體集成電路中，因為高壓被施加於其兩端。為此，一般使用齊納二極體的獨立標準部件。這種獨立標準部件的大尺寸意味著，它在印製電路板上佔據大區域，並且也導致更高的成本。
發明內容
為了克服上述問題，本發明的優選實施例提供一種不使用齊納二極體，並使將大量的電路和元件集成在半導體集成電路中成為可能的電容器充電電路，並且也提供一種具有小尺寸的頻閃裝置。
根據本發明的優選實施例的電容器充電電路包括具有初級線圈、次級線圈和三級線圈的回掃變壓器；用於導通和斷開在初級線圈中流動的電流的開關元件；利用通過開關元件的開關動作在次級線圈中產生的電流而被充電的電容器；以及用於控制開關元件的開關動作的充電控制電路。當開關元件斷開並且在三級線圈的第一端產生的電壓大於與電容器的充電電壓的預定電壓相對應的基準電壓時，充電控制電路就使開關元件的開關動作停止指定的一段時間。
在該電容器充電電路中，三級線圈的第二端優選地連接到地電勢。此外，在該電容器充電電路中，在與基準電壓比較的期間，在三級線圈的第一端產生的電壓通過低通濾波器。
根據本發明優選實施例的頻閃裝置包括上述根據本發明優選實施例的電容器充電電路；以及發光管，通過釋放電容器充電電路的電容器中積累的電荷來點亮該發光管。
上述根據本發明優選實施例的電容器充電電路使在不使用齊納二極體的情況下停止開關元件的開關動作指定長時間成為可能，並且也利於通過檢測在三級線圈的第一端產生的與電容器的充電電壓成比例的低電壓，將大量電路和元件集成在半導體集成電路中。此外，結果，也有可能減小包括電容器充電電路的頻閃裝置的尺寸。
由以下參考附圖的本發明優選實施例的詳細說明，本發明的其它特徵、要素、特性和優點將變得更明顯。
圖1所示為根據本發明優選實施例的電容器充電電路和頻閃裝置的電路圖；圖2所示為其每一個部件的波形圖；以及圖3所示為常規的電容器充電電路和頻閃裝置的電路圖。
具體實施例方式
以下將參考附圖來描述本發明的優選實施例。圖1顯示了根據本發明優選實施例的頻閃裝置1。頻閃裝置1優選地包括電容器充電電路2和發光管3。電容器充電電路2包括回掃變壓器10，該回掃變壓器10具有一端連接到輸入電源VCC的初級線圈11，以及一端輸出次級線圈電流的次級線圈12，並進一步具有一端(第二端)優選地連接到地電勢的三級線圈13；開關元件14，該開關元件14優選地是連接到初級線圈11的另一端(節點E)的N型MOS電晶體，用於導通和斷開在初級線圈11中流動的初級線圈電流Ia；一端連接到開關元件14的源極、另一端接地的電阻器15，用於測量初級線圈電流Ia；電容器17，利用通過開關元件14的開關動作產生的並在次級線圈12中流動的次級線圈電流Ib，經由整流二極體16來對該電容器17充電；二極體20，用於測量次級線圈電流Ib，該二極體20的陰極連接到次級線圈12的另一端，陽極接地；具有高電阻值的電阻器21，該電阻器21使二極體20的陰極偏壓到地電勢；以及充電控制電路22，該充電控制電路22將電阻器15一端的電壓接收到輸入端A，將二極體20的陰極的電壓接收到輸入端B，以及將三級線圈13的另一端(第一端)的電壓接收到輸入端C，並從輸出端D輸出根據這些電壓產生的開關元件14的開關信號。在該充電控制電路22中，用於起動開關元件14的開關動作的命令信號從在整體上控制頻閃裝置1的頻閃控制電路(未顯示)被輸入到輸入端START(起動)。當電容器17的充電電壓達到預定電壓時，指示該條件的信號從輸出端FULL(充滿)輸出到頻閃控制電路(未顯示)。通過釋放在電容器17中積累的電荷，來點亮發光管3。
尤其是，上述充電控制電路優選地包括第一比較器31，該第一比較器31將從輸入端A收到的電壓輸入到反相輸入端，並將第一基準電壓VREF1輸入到非反相輸入端，比較這兩個電壓，以及據此輸出高電平或低電平；第二比較器32，該第二比較器32將從輸入端B收到的電壓加上補償電壓VOS輸入到反相輸入端，並將地電勢輸入到非反相輸入端，比較這兩個電壓，以及據此輸出低電平或高電平；第三比較器33，該第三比較器33將從輸入端C收到的電壓通過低通濾波器34輸入到反相輸入端，並將第三基準電壓VREF3輸入到非反相輸入端，比較這兩個電壓，以及據此輸出高電平或低電平；D型觸發器35，該D型觸發器35將第一比較器31的反相輸出信號輸入到復位端R，將第二比較器32的反相輸出信號輸入到時鐘端CK，以及將輸入電源VCC輸入到數據端Da，並據此從輸出端Q輸出高電平或低電平；以及「與」電路36，該「與」電路36輸入觸發器35的輸出端Q的輸出信號、第三比較器33的輸出信號、以及輸入端START(起動)的命令信號，並從輸出端D輸出高電平或低電平。第三比較器33的輸出信號也被輸出到輸出端FULL。
接下來，將參考圖2來描述電容器充電電路2的操作。當開關元件14導通時，初級線圈電流Ia線性地增大，如圖2(a)所示，並且能量被存儲在回掃變壓器10中。通過電阻器15一端的電壓(輸入端A的電壓)來檢測該初級線圈電流Ia。當初級線圈電流Ia達到預定電流值時，輸入端A的電壓超過第一基準電壓VREF1，並且第一比較器31輸出低電平。D型觸發器35由此被復位，並且「與」電路36，即輸出端D輸出低電平，並使開關元件14斷開。當開關元件14斷開時，次級線圈電流Ib在次級線圈12中線性遞減地流動，如圖2(b)所示。經由整流二極體16對電容器17充電，並且回掃變壓器10中存儲的能量減少了。通過二極體20的陰極的電壓(輸入端B的電壓)來檢測次級線圈電流Ib。當次級線圈電流Ib達到接近於0的電平時，輸入端B的電壓也接近0。由於補償電壓VOS，使得第二比較器32的反相輸入端的電壓變得高於地電勢，並且第二比較器32輸出低電平。因此，D型觸發器35的輸出端Q切換到高電平。如果第三比較器33的輸出處於高電平，則「與」電路36，即輸出端D輸出高電平，並使開關元件14導通。然後，初級線圈電流Ia再次線性地增大，並且能量被存儲在回掃變壓器10中。
電容器充電電路2這樣重複開關元件14的開關動作，造成電容器17一端(節點OUT)的電壓即充電電壓VOUT上升。當該充電電壓VOUT達到預定電壓時，電路停止開關元件的開關動作，如下所述。
當開關元件14斷開時，通過在次級線圈12中流動的次級線圈電流Ib對電容器17充電。在三級線圈13的第一端，即在充電控制電路22的輸入端C，產生了三級線圈電壓VC，該三級線圈電壓VC近似等於電容器17的充電電壓VOUT乘以三級線圈13中的匝數N3相對於次級線圈12中的匝數N2之比的值，如圖2(c)所示。換句話說，三級線圈電壓VC的值近似等於VC＝VOUT×(N3/N2)當檢測該三級線圈電壓VC，有可能間接地檢測電容器17的充電電壓VOUT。在整流二極體16和二極體20中只有小壓降，因此不予考慮。
在此應該注意兩件事情。首先，三級線圈電壓VC不取決於輸入電源VCC，而是與充電電壓VOUT成比例。第二，因為可以隨意地調整三級線圈13的匝數N3，因此有可能基於作為基準的地電勢，將三級線圈電壓VC設置為低電平。經過比較，初級線圈11的另一端(節點E)的初級線圈電壓VE近似等於充電電壓VOUT乘以初級線圈11中的匝數N1相對於次級線圈12中的匝數N2之比再加上輸入電源VCC，如圖2(d)所示。換句話說，初級線圈電壓VE的值近似等於VE＝VOUT×(N1/N2)+VCC因此，因為初級線圈電壓VE取決於輸入電源VCC，所以如果輸入電源VCC有任何波動就難以檢測正確的充電電壓VOUT，即使通過用電阻等分配初級線圈電壓VE來檢測初級線圈電壓VE。此外，為了利用初級線圈電壓VE來檢測充電電壓VOUT，有時可能需要調整初級線圈11中的匝數N1，因而損害了回掃變壓器10的理想升壓特性。
接下來，充電控制電路22通過第三比較器33對三級線圈電壓VC和與電容器17的充電電壓VOUT的預定電壓相對應的第三基準電壓VREF3進行比較。當三級線圈電壓VC達到第三基準電壓VREF3時，第三比較器33輸出低電平。結果，間接地檢測到電容器17的充電電壓VOUT已被升到預定電壓。於是，「與」電路36即輸出端D輸出低電平，使開關元件14斷開，並停止開關元件14的開關動作，同時輸出端FULL也輸出低電平。然後，在總體上控制頻閃裝置1的頻閃控制電路(未顯示)停止用於觸發開關元件14的開關動作的命令信號。換句話說，它將輸入端START(起動)設置為低電平。在計數指定的一段時間(例如5秒)之後，頻閃控制電路(未顯示)輸出用於起動開關元件14的開關行動的命令信號。換句話說，頻閃控制電路將輸入端START(起動)切換到高電平，並重新起動開關元件14的開關動作。指定的時間段被設置為適合於節點OUT的漏電流的狀態的級別。
在開關元件14斷開之後，由每個線圈(例如初級線圈11)的漏電感和分布電容造成的峰值電壓就立即產生，並被傳送到三級線圈電壓VC。布置在充電控制電路22中的低通濾波器34用於消除該峰值電壓，並使防止由於電壓尖脈衝造成的第三比較器33的故障成為可能。
如上所述，當電容器17的充電電壓VOUT達到預定電壓時，電容器充電電路2就使開關元件14的開關動作停止指定的一段時間。因而，防止了浪費的過量電流消耗。此外，電容器充電電路2不包括齊納二極體。而且，因為可以將三級線圈電壓VC設置為低電壓，因此有可能將包括第三比較器33的大量電路和元件集成到半導體集成電路中。這也使減小包括電容器充電電路2的頻閃裝置1的尺寸成為可能。
應該注意，本發明不限於上述的優選實施例，並且在以下權利要求的範圍之內的各種設計更改都是可能的。
權利要求
1.一種電容器充電電路，包括具有初級線圈、次級線圈和三級線圈的回掃變壓器；開關元件，該開關元件被設置用於導通或斷開在初級線圈中流動的電流；電容器，該電容器被設置用於利用通過開關元件的開關動作在次級線圈中產生的電流對該電容器進行充電；以及充電控制電路，該充電控制電路控制開關元件的開關動作；其中該充電控制電路被設置用於，當開關元件斷開，並且在三級線圈的第一端產生的電壓大於與電容器的充電電壓的預定電壓相對應的基準電壓時，使開關元件的開關動作停止一段時間。
2.根據權利要求1所述的電容器充電電路，其中三級線圈的第二端連接到地電勢。
3.根據權利要求1所述的電容器充電電路，其中在與基準電壓比較的期間，在三級線圈的第一端產生的電壓通過低通濾波器。
4.根據權利要求1所述的電容器充電電路，其中開關元件是連接到回掃變壓器的初級線圈的N型金屬氧化物半導體電晶體。
5.根據權利要求1所述的電容器充電電路，進一步包括電阻器，該電阻器連接到開關元件及地電勢，並且被設置用於測量回掃變壓器的初級線圈中的電流。
6.根據權利要求5所述的電容器充電電路，進一步包括整流二極體，該整流二極體連接到電容器，並且被設置用於將通過開關元件的開關動作產生的次級線圈中的電流發送給電容器；二極體，該二極體被設置用於測量次級線圈中的電流；以及另一個電阻器，該另一個電阻器被設置用於使所述二極體的陰極偏壓到地電勢。
7.根據權利要求6所述的電容器充電電路，其中充電控制電路被設置用於接收電阻器的一端的第一電壓、二極體的陰極的第二電壓、以及三級線圈的第一端的第三電壓，並且輸出根據該第一、第二和第三電壓產生的開關元件的開關信號。
8.根據權利要求1所述的電容器充電電路，其中充電控制電路包括低通濾波器、第一比較器、第二比較器、第三比較器、觸發器電路以及「與」電路。
9.根據權利要求8所述的電容器充電電路，其中低通濾波器、第一比較器、第二比較器、第三比較器、觸發器電路以及「與」電路被集成在半導體集成電路中。
10.根據權利要求1所述的電容器充電電路，其中三級線圈中的電壓不取決於輸入電源，而是與輸出充電電壓成比例。
11.根據權利要求1所述的電容器充電電路，其中基於作為基準的地電勢，將三級線圈的電壓設置為低電平。
12.根據權利要求1所述的電容器充電電路，其中該電容器充電電路不包括齊納二極體。
13.一種電容器充電電路，包括具有多個線圈的回掃變壓器；開關元件，該開關元件被設置用於導通和斷開在回掃變壓器的多個線圈之一中流動的電流；電容器，該電容器被設置用於利用通過開關元件的開關動作在回掃變壓器的多個線圈之一中產生的電流來對該電容器充電；以及充電控制電路，該充電控制電路控制開關元件的開關動作；其中在該電容器充電電路中不包括齊納二極體。
14.根據權利要求13所述的電容器充電電路，其中回掃變壓器包括初級線圈、次級線圈和三級線圈。
15.根據權利要求14所述的電容器充電電路，其中充電控制電路被設置用於，當開關元件斷開，並且在三級線圈的第一端產生的電壓大於與電容器的充電電壓的預定電壓相對應的基準電壓時，使開關元件的開關動作停止一段時間。
16.根據權利要求15所述的電容器充電電路，其中三級線圈的第二端連接到地電勢。
17.根據權利要求15所述的電容器充電電路，其中在與基準電壓比較的期間，在三級線圈的第一端產生的電壓通過低通濾波器。
18.根據權利要求13所述的電容器充電電路，其中充電控制電路包括被集成在半導體集成電路中的低通濾波器、第一比較器、第二比較器、第三比較器、觸發器電路以及「與」電路。
19.一種頻閃裝置，包括根據權利要求1至18中任一權利要求所述的電容器充電電路；以及發光管，通過釋放電容器中積累的電荷來點亮該發光管。
全文摘要
一種電容器充電電路，該電容器充電電路不包括齊納二極體，並且使將大量的電路和元件集成在半導體集成電路中成為可能。該電容器充電電路包括具有初級線圈、次級線圈和三級線圈的回掃變壓器；用於導通和斷開流過初級線圈的電流的開關元件；利用通過開關元件的開關動作在次級線圈中產生的電流而被充電的電容器；以及用於控制開關元件的開關動作的充電控制電路。當開關元件斷開，並且在三級線圈的第一端產生的電壓大於與電容器的充電電壓的預定電壓相對應的基準電壓時，開關元件的開關動作就被停止。
文檔編號H02M3/04GK1677819SQ20051006255
公開日2005年10月5日 申請日期2005年3月29日 優先權日2004年3月30日
發明者高間欣也 申請人:羅姆股份有限公司